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Contribution of incomplete fusion to the evaporation residue cross sections in the $^{30}$ Si $+^{186}$ W reaction

Este estudio emplea el modelo del sistema dinuclear para demostrar que, si bien la fusión completa domina la formación de residuos de evaporación en la reacción $^{30}$ Si+ $^{186}$ W a energías más bajas, la fusión incompleta mediante la emisión de partículas $\alpha$ se convierte en la fuente principal de isótopos de Rn a energías más altas ( $E_{c.m.} > 128$ MeV), explicando así con éxito las secciones eficaces medidas de los residuos de evaporación totales.

Autores originales: Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

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En el mundo subatómico, donde la materia está construida a partir de protones y neutrones, los científicos a menudo intentan construir elementos más pesados chocando dos núcleos atómicos más ligeros a velocidades increíbles. Cuando estos dos núcleos colisionan, pueden pegarse para formar un único núcleo compuesto, más grande y altamente excitado. Este nuevo gigante inestable se enfría expulsando diminutas partículas como neutrones o partículas alfa, estableciéndose finalmente en un nuevo elemento pesado. Sin embargo, este proceso está lleno de dificultades. A menudo, en lugar de fusionarse en uno solo, los dos núcleos que colisionan se rozan entre sí o se rompen en dos fragmentos diferentes antes de que lleguen a unirse por completo. Este fallo en la fusión es un obstáculo importante en la búsqueda de los elementos más pesados del universo.

Para entender por qué estas colisiones tienen éxito o fracasan, los investigadores observan la forma y la orientación de los núcleos involucrados. Muchos núcleos atómicos no son esferas perfectas; algunos están aplanados como un panqueque, mientras que otros están estirados como un balón de rugby. Cuando estos núcleos de formas irregulares colisionan, el ángulo con el que chocan importa inmensamente. Además, a velocidades muy altas, un núcleo podría no solo romperse en dos mitades iguales, sino que podría desprenderse de una pequeña pieza, como una partícula alfa, mientras el resto se fusiona con el objetivo. Este fenómeno, conocido como fusión incompleta, crea un conjunto diferente de elementos pesados en comparación con el proceso estándar de fusión completa. Comprender el equilibrio entre estos diferentes resultados es crucial para predecir qué elementos pesados se pueden fabricar y cuánto de ellos se puede producir.

Un equipo de investigadores ha analizado recientemente de cerca una colisión específica entre silicio-30 y tungsteno-186 para ver cómo se desarrollan estos diferentes caminos de fusión. Utilizando un sofisticado modelo computacional que trata a los núcleos que colisionan como una pareja de baile temporal, simularon lo que sucede cuando estos dos átomos chocan entre sí. Su objetivo era calcular con qué frecuencia los núcleos se pegan por completo, con qué frecuencia se rompen y con qué frecuencia experimentan una fusión incompleta, donde se desprende una pequeña pieza antes de que los cuerpos principales se fusionen. Se centraron en un rango de energías de colisión, desde 107.6 hasta 172.2 millones de electronvoltios, una escala que representa la energía intensa necesaria para forzar la unión de estos núcleos atómicos.

Los investigadores descubrieron que, a energías de colisión más bajas, la forma principal de crear el residuo pesado deseado es mediante la fusión completa, donde los dos núcleos se fusionan en una sola unidad llamada radio de 216. Sin embargo, a medida que la energía de colisión aumenta más allá de aproximadamente 128 MeV, la historia cambia drásticamente. En este rango de energía más alto, el proceso de fusión incompleta se convierte en la fuente dominante de los elementos pesados finales. En este escenario, el sistema en colisión se rompe de una manera que libera una partícula alfa, dejando atrás un núcleo ligeramente más ligero llamado radón-212. El estudio muestra que, por encima de este umbral de energía, los isótopos de radón producidos por la fusión incompleta contribuyen con más de la mitad de todos los residuos pesados observados.

Este cambio de dominancia explica un enigma largamente mantenido en los datos experimentales. Cuando los científicos miden la cantidad total de material pesado producido en estas colisiones, el número no disminuye tan rápidamente como uno esperaría cuando la energía se vuelve muy alta. Si solo el proceso de fusión completa estuviera en funcionamiento, la producción de isótopos de radio caería drásticamente por un factor de diez a medida que la energía aumenta. Sin embargo, el rendimiento total se mantiene relativamente estable. Los cálculos de los investigadores muestran que el canal de fusión incompleta llena este vacío. Mientras que la producción de radio cae bruscamente, la producción de radón mediante la fusión incompleta aumenta para compensar, evitando que el número total de residuos pesados colapse.

El estudio también aclaró la naturaleza de las partículas que se producen. Los investigadores calcularon que es virtualmente imposible que los isótopos pesados de radón, específicamente el radón-212 y el radón-211, se formen a través de la ruta estándar de fusión completa a estas energías. La energía requerida para desprender una partícula alfa del núcleo totalmente fusionado es simplemente demasiado alta. En cambio, estos isótopos específicos son casi exclusivamente el resultado del proceso de fusión incompleta, donde la partícula alfa se desprende temprano en la colisión, dejando atrás un núcleo de radón más "frío" y estable. Esta distinción es tan nítida que detectar estos isótopos de radón específicos en un experimento serviría como una firma clara de que la fusión incompleta está ocurriendo.

Cuando los investigadores compararon los resultados de su simulación con los datos experimentales reales, encontraron una fuerte concordancia en las tendencias generales. El modelo reprodujo con éxito la disminución lenta del rendimiento total de elementos pesados a energías altas, una característica que los modelos anteriores centrados solo en la fusión completa no pudieron explicar. La probabilidad calculada de que los núcleos se fusionen completamente, al considerar solo los ángulos de colisión más efectivos, fue de aproximadamente 0.75. Esto es ligeramente superior al valor de 0.57 derivado de comparaciones experimentales anteriores, lo que sugiere que el modelo teórico captura la física de la colisión con buena precisión. El trabajo confirma que la fusión incompleta no es solo un efecto secundario menor, sino un actor principal en la formación de elementos pesados en esta reacción específica, moldeando fundamentalmente el panorama de lo que se puede crear en el laboratorio.

Resumen Técnico: Contribución de la Fusión Incompleta a las Secciones Eficaces de Residuos de Evaporación en la Reacción $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$

Planteamiento del Problema
La formación de residuos de evaporación (ER) en colisiones de iones pesados es un proceso complejo que compite con la cuasifisión. Aunque históricamente se creía que el impedimento para la fusión completa se vuelve significativo solo en reacciones con un producto de números de carga $Z_1Z_2 > 1600$ , los datos experimentales para la reacción $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ ( $Z_1Z_2 = 1036$ ) sugerían lo contrario. Estudios previos indicaron que el rendimiento de los isótopos de Ra (formados vía fusión completa) disminuye significativamente a energías de excitación más altas, pero el rendimiento total de ER (incluyendo isótopos de Rn y Fr) permanece relativamente alto. Esta discrepancia sugirió la presencia de un mecanismo más allá de la fusión completa y la cuasifisión estándar. Específicamente, Berriman et al. señalaron que los residuos de no-Ra podrían verse afectados por la ruptura del proyectil en cúmulos de partículas $\alpha$ a grandes momentos angulares ( $\ell$ ), lo que conduce a una fusión incompleta (ICF). La explicación teórica para este gran rendimiento de residuos de no-Ra, particularmente isótopos de Rn, fue el objeto principal de esta investigación.

Metodología
Los autores analizaron la reacción $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ dentro del marco del modelo de Sistema Dinuclear (DNS), incorporando tanto los mecanismos de fusión completa como de ICF.

Captura y Dinámica: La sección eficaz de captura se calculó resolviendo las ecuaciones dinámicas de movimiento para la distancia relativa y el momento angular orbital, promediando sobre los ángulos de orientación de los núcleos deformados $^{30}\text{Si}$ (oblatos) y $^{186}\text{W}$ (prolatos).
Superficie de Energía Potencial (PES): La evolución del DNS estuvo gobernada por una PES que incluye efectos de capa. El modelo consideró la competencia entre la transferencia de nucleones que conduce a la fusión completa y la ruptura del DNS vía cuasifisión.
Mecanismo de Fusión Incompleta: La ICF se trató no como una ruptura previa a la captura, sino como la ruptura del DNS desde una configuración de gran asimetría de masa ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) poblada por transferencia de nucleones a grandes $\ell$ . La probabilidad de emisión de partículas $\alpha$ se calculó basándose en el poblamiento de esta configuración específica de DNS y su tasa de ruptura a través de la barrera de cuasifisión.
Desexcitación Estadística: Las probabilidades de supervivencia de los núcleos compuestos excitados $^{216}\text{Ra}^*$ (de la fusión completa) y el núcleo conjugado $^{212}\text{Rn}^*$ (formado tras la emisión de $\alpha$ en ICF) se calcularon utilizando un modelo estadístico. Esto incluyó anchos de emisión de neutrones, protones y $\alpha$ , barreras de fisión (corregidas por factores de Kramers y Strutinsky) y densidades de niveles con amortiguamiento de capa.

Contribuciones Clave y Resultados

Mecanismo de ICF: El estudio confirma que la ICF en esta reacción procede mediante la formación de una configuración de DNS con asimetría de masa ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) seguida de la emisión de una partícula $\alpha$ . Este proceso es dominante a grandes momentos angulares ( $\ell \approx 20\text{--}60\hbar$ ).
Contribuciones de la Sección Eficaz:
- A energías de colisión bajas ( $E_{c.m.} \lesssim 125$ MeV), la fusión completa es la fuente primaria de residuos de evaporación (isótopos de Ra).
- Por encima de $E_{c.m.} \approx 128$ MeV, la contribución de la fusión incompleta se vuelve dominante, representando más de la mitad de la sección eficaz total calculada de ER.
- La sección eficaz de ICF aumenta en dos órdenes de magnitud desde las energías más bajas hasta $E_{c.m.} \approx 120$ MeV, alcanzando aproximadamente 30 mb a energías más altas.
Reproducción de Datos Experimentales:
- La suma de las secciones eficaces de fusión completa (isótopos de Ra) e ICF (isótopos de Rn) reproduce con éxito la disminución lenta de la sección eficaz total medida de ER a altas energías.
- En contraste, el rendimiento de los isótopos de Ra por sí solo disminuye en un orden de magnitud en este rango de energía.
- La sección eficaz total de ER calculada concuerda con los datos experimentales dentro de un 17% para $E_{c.m.} = 120\text{--}151$ MeV.
Probabilidad de Fusión: La probabilidad de fusión calculada para las ondas parciales que contribuyen a la formación de ER ( $\ell \leq 30\hbar$ ) es de aproximadamente 0.75. Esto supera el valor de $0.57 \pm 0.08$ extraído de los datos experimentales de Berriman et al., lo que sugiere que la cuasifisión impide la fusión completa en esta reacción incluso con $Z_1Z_2 = 1036$ .
Firmas Isotópicas: El cálculo de los canales de desexcitación revela que la contribución de la fusión completa a la formación de $^{212}\text{Rn}$ y $^{211}\text{Rn}$ es insignificante (secciones eficaces $< 10^{-3}$ mb). Estos isótopos se forman casi exclusivamente vía ICF, con secciones eficaces en el canal de ICF que son más de tres órdenes de magnitud mayores.

Significancia
El artículo demuestra que la fusión incompleta, impulsada por la ruptura de una configuración de DNS con asimetría de masa a grandes momentos angulares, es un mecanismo crítico para explicar el rendimiento total de la sección eficaz de residuos de evaporación en la reacción $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ . La inclusión del canal de ICF resuelve la discrepancia entre la rápida caída en los rendimientos de isótopos de Ra y el descenso más lento del rendimiento total de ER observado experimentalmente. Además, el estudio identifica la producción de los isótopos $^{212}\text{Rn}$ y $^{211}\text{Rn}$ , coincidentes con partículas $\alpha$ , como una firma distintiva del mecanismo de ICF en esta reacción, proporcionando una prueba potencial para el modelo DNS de fusión incompleta. Los resultados también refuerzan la conclusión de que la cuasifisión impide significativamente la fusión completa en reacciones con $Z_1Z_2$ muy por debajo del umbral tradicionalmente aceptado de 1600.

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